11. – 13. Schuljahr

Michael Rode und Michael Barth

Quantenphysik in der Nussschale

Informationen zum fachlichen Kern des Unterrichts über Quantenphysik in der Schule

Untersuchungsgegenstände und Deutungen der Quantenphysik unterlagen im Laufe der Geschichte einem stetigen Wandel. Während am Anfang die portionsweise (quantisierte, daher auch der Name für das neue Gebiet) Energieübertragung zwischen Licht und Materie im Zentrum stand, sind viele heutige Fragestellungen eher im Bereich der Interferenz von Quantenobjekten angesiedelt.
Der erste Teil dieses Beitrags stellt die historische Entwicklung der Quantenphysik im Überblick dar (s. dazu auch das Unterrichtskonzept von Barth); im zweiten Teil geht es dann um die fachlichen Grundlagen der Quantenphysik für einen Zugang, der an der Interferenz orientiert ist.
Es muss betont werden, dass es nicht möglich ist, die Quantenphysik in ihren theoretischen Grundlagen im Unterricht zu behandeln, da sie komplexwertige Funk-tionen in einem Hilbertraum benötigt. Ein schulgerechter Kompromiss ist jedoch die Nutzung des Zeigermodells (s. dazu den Beitrag von Rode), das man z. B. aus dem Bereich „Schwingungen und Wellen (s. UP 125) weiterentwickelt.
Die historische Entwicklung im Überblick
Entlang der historischen Entwicklung hin zur modernen Sicht auf die Quantenphysik gibt es viele interessante Aspekte. Hier sollen solche genannt werden, die ihren Einzug in den Unterricht gehalten haben.
Lichtelektrischer Effekt
Einsteins mutige Deutung der lichtelektrischen Erscheinungen durch die Annahme von Energiequanten des Lichtes [1] war lange umstritten. Das erste belastbare Experiment stammt von Robert Millikan [2]. Es gehört weltweit zum Kernbestand des Unterrichts (s.a. den Beitrag zu Experimenten). Zur Kontroverse um die Deutung findet man mehr in [11], S.24 ff., zur Geschichte des Photons in [20].
Interferenz von Quantenobjekten mit Ruhemasse
Louis de Broglies Hypothese von der Interferenzfähigkeit von Objekten mit Ruhemasse fiel bei Clinton Davisson und Lester Germer auf fruchtbaren Boden. Sie arbeiteten als Elektrotechniker an Mehrsystem-Elektronenröhren und stießen dabei auf unerklärliche Phänomene. Mit ihrer durch de Broglies Arbeit angestoßenen Untersuchung gehörten sie 1927 zu den ersten, die de Broglies Hypothese experimentell überzeugend bestätigen konnten [3].
Schon 1932 folgten Experimente zur Interferenz von Heliumkernen an Salzkristallen, durchgeführt von Immanuel Estermann und Otto Stern [4]. In der Folge wurden sehr viele Interferenzexperimente mit Objekten mit Ruhemasse ([5] – [7]) erfolgreich durchgeführt.
Als Oberbegriff für Objekte, mit denen gleichartige Experimente erfolgreich sind, hat sich der Begriff ➞ Quantenobjekt eingebürgert. Solche Objekte können nicht mehr klassisch beschrieben werden. Erfolgreich durchgeführte Interferenzexperimente bieten die einzige Möglichkeit, den Begriff zu definieren. Einige dieser Experimente sind so klar aufgebaut, dass sie zum Kernbestand des Unterrichts gehören sollten (s. dazu den Beitrag „Quantenobjekte mit Ruhemasse); weit verbreitet etwa ist ein Schulexperiment zur Elektronenbeugung (s. dazu den Beitrag „Experimente). Bis heute offen ist die Frage, ob es eine obere Grenze für die Masse oder Ausdehnung von Quantenobjekten gibt und falls ja wo diese liegt [7].
Photonen unter der Lupe
Wenn auch das von Einstein postulierte „Energiequantum des Lichtes am Anfang der Entwicklung stand, dauerte es bis zum Ende des 20. Jahrhunderts, bis in geeigneten Experimenten die Berechtigung dieser Begriffsbildung zweifelsfrei nachgewiesen werden konnte (zur Geschichte des Begriffs vgl. [18]). Ältere Experimente, darunter natürlich auch das ursprüngliche, lassen sich zwar mit einem Photonenmodell elegant deuten; immer gibt es aber auch andere, gleichwertige Deutungen (s. [19]). Erst mit dem Fortschritt der Experimentiertechnik konnte man Experimente entwickeln, in denen sich Erscheinungen zeigen, die eindeutig Einzelphotonen...

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